第四章 离子注入..
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微电子工艺原理与技术--离子注入 ppt课件
先加速后分析注入机结构示意
离子注入系统的原理示意图
国产中束流离子注入机
Vll Sta 810XEr 中束流注入机
20-80KeV 400-500W/h
Vll Sta 80HP 300mm 大束流注入 机
1-80KeV FOR 90nm IC process
900XP 高能注入机
高能P阱注入机
2keV - 900keV
国产多功能离子改性注入机
无分析器 气体 金属 辅助 溅射 四种离子源
全方位离子注入
离子源的种类
1. 潘宁源 在阴极-阳极间起弧电离源气分子，获得等离 子体，适合小束流气体离子注入
2. 2.热灯丝源（Freeman源） 靠灯丝发射电子激发等 离子体，适合无氧气体离子的中小束流注入
中束流离子源（CF-3000）
Eaton注入机 离子源
大束流离子源（8-10mA） 中束流离子源（NV-6200）
蒸发离子源的结构
磁分析器原理
设吸出电压为V，对电荷q的正离子，能量为qV(eV)。
EqV1m2v, v 2qV
2
m
经过磁场强度为B、方向与离子运动方向垂直的分析腔，
受到洛仑兹力qvB，该力使离子作圆周运动。有：
m2v
mv1 2m 1 m
qvr B, V ,B 2V
r
qBB q
rq
可见，偏转半径r与B成反比，与m成正比。对固定的离 子注入机，分析器半径r和吸出电压固定，调节B的大小 （励磁电流）即可分析出不同荷质比的离子。
BF3气源磁分析质谱
磁分析器的分辨率
注意： 同一荷质比的离子有相同的偏转半径，磁分析 器无法作出区分。要求源气有很高的纯度，尽量避免相 同荷质比离子出现。如：N2+ 和Si+，N+ 和Si++ ，H2+ 和 He++等。
离子注入二
4.5 离子注入设备与工艺
离子注入系统原理-磁分析器
从离子源吸出的离子束中，包括多种离子。如 对BCl3气体源，一般包括H+、B+、Cl+、O+ 、C+等。 在磁分析器中，利用不同荷质比的离子在磁 场中的运动轨迹不同，可以将离子分离，并选 出所需要的一种杂质离子。 被选离子通过可变狭缝，进入加速管。
热退火中的扩散称为增强扩散。
4.4 退火
热退火过程中的扩散效应
注入杂质经退火后在靶内的分布仍然是 高斯分布
标准偏差需要修正 扩散系数明显增加
4.4 退火
热退火过程中的扩散效应
高斯分布的杂质在热退火过程中会使其分布展宽， 偏离注入时的分布，尤其是尾部，出现了较长的按 指数衰减的拖尾.
4. 快速热退火的主要优点是什么？
要求：11月4日上课交作业，或发送至 xyfan@。 32
第四章 离子注入-作业
/show/-JP8k1MK7kT9fziZnp4vA...html /programs/view/fLp7hS0elT0
4.5 离子注入设备与工艺
靶室
样品架 法拉第杯（控制注入剂量）
第四章 离子注入-作业
1.比较离子注入与热扩散工艺，分析两者各自的优缺点。
2.试用LSS理论分析离子注入的基本原理，入射离子能量损
失的两种模型各是什么？ 2. 简述沟道效应的形成机理，并给出减弱或消除沟道效应 的几种措施。 3. 离子注入后为何要进行退火热处理？
晶格损伤解离而释放出大量的间隙Si原子，这些间隙Si原 子与替位B原子接近时，可以相互换位，使得B原子进入 晶格间隙，激活率下降。
离子注入工艺
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离子注入的杂质分布还与衬底晶向有 关系。如果注入的离子沿规则排列的晶格 方向进入硅中，离子可能要走很长一段路 途才碰到硅原子，因此，进入深度就大， 使杂质分布出现两个峰值，这种现象称为“ 沟道效应”。向<100>， <110>晶向注入 时，往往会发生这种沟道效应，而<111> 再偏离一定角度，情况就好得多。
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离子在硅体内的注入深度和分布状态与 射入时所加的电场强度、离子剂量、衬底
晶向等有关。通常，在离子剂量和轰击次 数一致的前提下，注入的深度将随电场的 强度增加而增加。实践表明，用离子注入 方法在硅片内部形成杂质分布与扩散是完 全不同的。扩散法得到的杂质分布近似为 余误差函数和高斯函数分布，而用离子注 入法形成的分布，其浓度最大值不在硅片 表面，而是在深入硅体一定距离。这段距 离大小与注入粒子能量、离子类型等有关 。
第四章 离子注入工艺
离子注入的特点是加工温度低，易 做浅结，大面积注入杂质仍能保证均匀 ，掺杂种类广泛，并且易于自动化。由 于采用了离子注入技术，大大地推动了 半导体器件和集成电路工业的发展，从 而使集成电路的生产进入了大规模及 ULSI时代。
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一．离子注入工艺设备结构
离子注入机原理图
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§4.1核碰撞和电子碰撞
LSS理论:注入离子在靶内的能量损 失分为两个彼此独立的过程(1)核碰撞， （2）电子碰撞，总能量损失为它们的和。
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核碰撞和电子碰撞:
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（一）、核阻止本领
第四章 离子注入
射程参数
RNm1 m2 4a2
(m1 m2 )2
其中，m1，m2为注入离子和靶原子的质量，N是单位体积 内的原子数，a为屏蔽长度
a
0.88a0
( Z11/ 3
Z 2/3 2
)1/ 2
由此，导出核阻止能量损失曲线。P84图4.5
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1、注入离子能量三个区域中的阻止机制
1）低能区：核阻止 2）中能区：核阻止、电子阻止 3）高能区：电子阻止
注入离子靶原子：形成间隙-空位缺陷； 间隙靶原子靶原子：在入射离子轨迹周围形成大量
间隙-空位缺陷。
因此，须消除衬底损伤，并使注入离子处于电激 活位置，以达到掺杂目的。
31
一、级联碰撞
1、几个概念
1) 注入离子通过碰撞把能量传递给靶原子核及其电子的过程， 称为能量淀积过程。 弹性碰撞： 总动能守恒 注入离子能量低 非弹性碰撞：总动能不守恒 注入离子能量高 在集成电路制造中，注入离子的能量较低，弹性碰撞占 主要地位。
exp
1 2
y2
Y
2
z2 Z 2
(x Rp)2 R p 2
（4.21） 因入射靶材为各向同性的非晶材料，则在垂直入射方向的平
面内分布是对称的，即有
Y Z R 即Y方向、Z方向上的标准偏差 等于 横向离散 R 。
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通过狭窄掩模窗口注入离子后的杂质分布情况
14
2、一级近似下的阻止机制
1)核阻止本领
S
0 n
与入射离子E能量无关；
2)电子阻止本领 Se (E)与速度成正比关系；
3)在EC处核阻止和电子阻止本领相等，不同的靶材料和不同的
04离子注入
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Se(E)
当核阻止与电子阻止本领 相等时，能量为EC。 当入射离子能量E》EC时 射程R： R≈k1E1/2
Ec
Sn0
当入射离子能量E《EC时，电子阻止可忽略，
射程R： R≈k2E0
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4.2 注入离子在靶中的分布
注入离子在靶中的分布与注入方向有关。一般注入方向 与靶表面垂直反向的夹角较小。
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N可以精确控制
1 I dt N A q
A为注入面积，I为硅片背面搜集到的束 流（Farady Cup），t为积分时间，q为 离子所带的电荷。 I＝0.01 mA～mA
例如：当A＝20×20 cm2，I＝0.1 mA时，
N I 1.56 10 9 atoms/cm2s t Aq
术制造半导体器件；1955年 英国W.D.Cussins应用硼 离子轰击锗晶片，在n型衬底上形成p型层。 在此之后，离子注入技术开始广泛应用。
离子注入特点
各种杂质浓度分布与注入浓度可通过精确控制掺杂剂 量（1011-1018 cm-2）和能量（1-400 keV）来达到；
平面上杂质掺杂分布非常均匀（ 1% variation across an 8’’ wafer）； 注入的深度随能量的增大而增大，表面浓度不受固溶 度限制，可做到浅结低浓度 或深结高浓度； 注入元素通过质量分析去选出，纯度非常高，杂质单 一性，将污染水平降低到最低水平； 衬底温度保持在室温或低于400C，可用多种材料作 掩膜，如金属、光刻胶、介质；可防止玷污，自由度 大，。
电子组织本领Se(E)与注入离子的速度成正比，即与能量的 平方根成正比。
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把固体中的电子看成自由电子气，电子的 阻止就类似于粘滞气体的阻力（一阶近似）。 电子阻止本领和注入离子的能量的平方根成正 比。
微电子工艺 离子注入
称作投影射程。
内有多少条鱼浓度（个数域单位体积内有多少条鱼,…….离子源通过吸极电源把离子从离子源引出可变狭缝v⊕一个质量数为M的正离子，以速度v垂直于磁力线的方向进入磁场，受洛伦茨力的作用，在磁场中作匀速圆周运动的半径为R。
子离开分析仪电磁场的磁极平行平板电极⊕当离子束垂直进入均匀的正交电磁场时，将同时受到电场力和洛伦茨力的作用，这两个力的方向正好相反，只有在某个质量为M的离子在分析器中所受的电场力和洛伦茨力的数值相等时，不发生偏转而到达靶室，大于或小于M的离子则被偏转加速器加速离子，获得所需能量；高真空（<10-6Torr 静电加速器：调节离子能量静电透镜：离子束聚焦静电偏转系统：滤除中性粒子X方向扫描板Y方向扫描板扫描范围中性束偏转板+-的浓度比其它地方高。
终端台：控制离子束扫描和计量离子束扫描：扫描方式：静电扫描、机械扫描和混合扫描。
常用静电扫描和混合扫描。
静电光栅扫描适于中低束流机，机械扫描适于强束流机。
两种注入机扫描系统<110>向和偏转10°方向的晶体结构视图<111><100><110>40 kevP +31注入到硅中的浓度分布0.20.40.60.8 1.0µm43210 注入深度对准<110> 偏<110> 2°偏<110> 8°子在靶中行进的重要效应之一。
窗口边缘处浓度为同等深度窗口中心部位浓度的1/2离子越轻，阈值剂量越高；温度越高，阈值剂量越高。
扩散率提高，聚集成团，几种等时退火条件下，硅中注入硼离子的激活百分比。
第四章离子注入
分析磁体 粒子束
加速管
工艺腔 扫描盘
工艺控制参数
❖ 杂质离子种类：P+，As+，B+，BF2+，P++，B++，… ❖ 注入能量（单位：Kev）——决定杂质分布深度和形状，
10~200Kev ❖ 注入剂量（单位：原子数/cm2）——决定杂质浓度 ❖ 束流（单位：mA或uA）——决定扫描时间 ❖ 注入扫描时间（单位：秒）——决定注入机产能
Figure 17.15
中性束造成的注入不均匀性
带正电的离子束从质量分析器出来到硅片表面的过程中，
要经过加速、聚焦等很长距离，这些带电粒子将同真空系统中
的残余气体分子发生碰撞，其中部分带电离子会同电子结合，
成为中性的粒子。
对于出现在扫描 系统以前的中性粒子
没有偏转的中性束粒子继续向前
，扫描电场对它已不
200 kev 注入离子在 靶中的高斯分布图
硼原子在不同入射能量 对深度及浓度分布图
高斯分布只在峰值附近 与实际分布符合较好
根据离子注入条件计算杂质浓度的分布
❖ 已知杂质种类(P,B,As)，离子注入能量(Kev)，靶材 （衬底Si,SiO2,Si3N4等）
求解step1：查LSS表可得到Rp和ΔRp
和电子阻止(Se(E) )所损失的能量，总能量 损失为两者的和。
ddE xSnESeE
-dE/dx：能量损失梯度
E：注入离子在其运动路程上任一点x处的能量
Sn(E)：核阻止本领
能量E的函数
Se(E)：电子阻止本领
C: 靶原子密度 ～51022 cm-3 for Si
能量为E的 入射粒子在 密度为C的 靶内走过x 距离后损失 的能量
加速管
工艺腔 扫描盘
工艺控制参数
❖ 杂质离子种类：P+，As+，B+，BF2+，P++，B++，… ❖ 注入能量（单位：Kev）——决定杂质分布深度和形状，
10~200Kev ❖ 注入剂量（单位：原子数/cm2）——决定杂质浓度 ❖ 束流（单位：mA或uA）——决定扫描时间 ❖ 注入扫描时间（单位：秒）——决定注入机产能
Figure 17.15
中性束造成的注入不均匀性
带正电的离子束从质量分析器出来到硅片表面的过程中，
要经过加速、聚焦等很长距离，这些带电粒子将同真空系统中
的残余气体分子发生碰撞，其中部分带电离子会同电子结合，
成为中性的粒子。
对于出现在扫描 系统以前的中性粒子
没有偏转的中性束粒子继续向前
，扫描电场对它已不
200 kev 注入离子在 靶中的高斯分布图
硼原子在不同入射能量 对深度及浓度分布图
高斯分布只在峰值附近 与实际分布符合较好
根据离子注入条件计算杂质浓度的分布
❖ 已知杂质种类(P,B,As)，离子注入能量(Kev)，靶材 （衬底Si,SiO2,Si3N4等）
求解step1：查LSS表可得到Rp和ΔRp
和电子阻止(Se(E) )所损失的能量，总能量 损失为两者的和。
ddE xSnESeE
-dE/dx：能量损失梯度
E：注入离子在其运动路程上任一点x处的能量
Sn(E)：核阻止本领
能量E的函数
Se(E)：电子阻止本领
C: 靶原子密度 ～51022 cm-3 for Si
能量为E的 入射粒子在 密度为C的 靶内走过x 距离后损失 的能量
离子注入获奖课件
Typical implant voltages: 50~200 KeV, the trend is to lower voltages.
Typical implant dose: 1011~1016 cm2.
离子注入
二、离子注入旳特点
离子经加速，到达半导体表面； 离子经过碰撞损失能量，停留在不同深度旳位置， 此位置与离子能量有关；
Si Displaced Si ato去m 一定旳能量。靶原子也因碰撞 Si Si Si 而取核得碰能撞量，假如取得旳能量不
小于原注子入束离缚子能与，靶就内会原离子开核原间来
所旳在碰晶撞格。位置，进入晶格间隙，
并留下一种空位，形成缺陷。
核碰撞和电子碰撞
核阻止本事：能够了解为能量为E旳一种注入离子，在单位
产生沟道效应旳原因 当离子注入旳方向=沟道方向时,离子因为没有遇到晶格
而长驱直入，故注入深度较大。
沟道效应产生旳影响 在不应该存在杂质旳深度发觉杂质。
离子注入旳沟道效应
离子注入旳通道效应
离子注入旳沟道效应
处理沟道效应旳措施
1.倾斜样品表面，晶体旳主轴方向偏离注入方向，经典值为7°； 2.先重轰击晶格表面，形成无定型层； 3.表面长二氧化硅、氮化硅、氧化铝无定型薄层。
一级近似下，核阻止本事与入射离子旳能量无关。
注入离子在无定形靶中旳分布
注入离子在靶内分布是与注入方向有着一定旳关系， 一般来说，粒子束旳注入方向与靶垂直方向旳夹角比较小。
注入离子在靶内受到旳碰撞是随机过程。假如注入旳 离子数量很小，它们在靶内旳分布是分散旳，但是大量注 入离子在靶内旳分布是按一定统计规律分布。
虽然晶体某个晶向平行于离子注入方向,但注入离子进入晶 体前,在无定形旳介质膜中屡次碰撞后已经偏离了入射方向,偏 离了晶向。
集成电路工艺第四章：离子注入
其中N为入射离子总数， 为第i 其中N为入射离子总数，RPi为第i个离子的投影射 程
离子投影射程的平均标准偏差△ 离子投影射程的平均标准偏差△RP为
其中N 其中N为入射离子总数 Rp 为平均投影射程 Rpi为第 Rpi为第i个离子的投影射程 为第i
离子注入浓度分布
LSS理论描述了注入离子在无定形靶中的浓度分布 LSS理论描述了注入离子在无定形靶中的浓度分布 为高斯分布其方程为
其中φ为注入剂量 其中 为注入剂量 χ为离样品表面的深度 为离样品表面的深度 Rp为平均投影射程 为平均投影射程 △Rp为投影射程的平均标准偏差 为投影射程的平均标准偏差
离子注入的浓度分布曲线
离子注入浓度分布的最大浓度Nmax 离子注入浓度分布的最大浓度Nmax
从上式可知，注入离子的剂量φ越大， 从上式可知，注入离子的剂量φ越大，浓度峰值越高 从浓度分布图看出， 从浓度分布图看出，最大浓度位置在样品内的平均投 影射程处
4.2 离子注入工艺原理
离子注入参数
注入剂量φ 注入剂量 注入剂量φ是样品表面单位面积注入的离子总数 是样品表面单位面积注入的离子总数。 注入剂量 是样品表面单位面积注入的离子总数。单 位：离子每平方厘米
其中I为束流，单位是库仑每秒（ 其中 为束流，单位是库仑每秒（安 培） t为注入时间，单位是秒 为注入时间， 为注入时间 q为电子电荷，等于 ×10－19库仑 为电子电荷， 为电子电荷 等于1.6× n为每个离子的电荷数 为每个离子的电荷数 A为注入面积，单位为 2 —束斑 为注入面积， 为注入面积 单位为cm
2267 475 866 198 673 126
4587 763 1654 353 1129 207
6736 955 2474 499 1553 286
第四章离子注入
第四章 离子注入
1954年，Bell Lab. ，Shockley 提出； 应用：COMS工艺的阱，源、漏，调整VT的沟道掺 杂，防止寄生沟道的沟道隔断，特别是浅结。 定义:将带电的、且具有能量的粒子入射到衬底中。 特点: ①注入温度低:对Si，室温；对GaAs,<400℃。避免了 高温扩散的热缺陷；光刻胶，铝等都可作为掩蔽膜。 ②掺杂数目完全受控:同一平面杂质均匀性和重复性在 ±1％（高浓度扩散5％－10％）；能精确控制浓度分 布及结深，特别适合制作高浓度浅结器件。
max
⎢ ⎣ 2
∆RP
⎥ ⎦
Nmax=0.4NS/ΔRP—峰值浓度（在RP处），NS—注入剂量
4.2 注入离子分布
4.2.2 横向效应 ①横向效应与注入 能量成正比； ②是结深的30％ －50％； ③窗口边缘的离子 浓度是中心处的50％；
4.2 注入离子分布
4.2.3 沟道效应(ion channeling) 非晶靶：对注入离子的 阻挡是各向同性； 单晶靶：对注入离子的 阻挡是各向异性； 沟道：在单晶靶的主晶 轴方向呈现一系列平行 的通道，称为沟道。
dR dR
n
dR
e
n
e
−1 E0 dE R = ∫ dR = − ∫ = ∫ [S n (E ) + S e (E )] dE E0 dE / dR 0 0
式中，E0—注入离子的初始能量。
4.2 注入离子分布
2.投影射程XP： 总射程R在离子入射方向 （垂直靶片）的投影长度 ，即离子注入的有效深度。 3.平均投影射程RP： 投影射程XP的平均值，具 有统计分布规律－几率分 布函数。
4.1 核碰撞和电子碰撞
4.1.1 核阻挡本领Sn(E) Sn(E)=(dE/dx)n (dE/dx)n --核阻挡能量 损失率.
1954年，Bell Lab. ，Shockley 提出； 应用：COMS工艺的阱，源、漏，调整VT的沟道掺 杂，防止寄生沟道的沟道隔断，特别是浅结。 定义:将带电的、且具有能量的粒子入射到衬底中。 特点: ①注入温度低:对Si，室温；对GaAs,<400℃。避免了 高温扩散的热缺陷；光刻胶，铝等都可作为掩蔽膜。 ②掺杂数目完全受控:同一平面杂质均匀性和重复性在 ±1％（高浓度扩散5％－10％）；能精确控制浓度分 布及结深，特别适合制作高浓度浅结器件。
max
⎢ ⎣ 2
∆RP
⎥ ⎦
Nmax=0.4NS/ΔRP—峰值浓度（在RP处），NS—注入剂量
4.2 注入离子分布
4.2.2 横向效应 ①横向效应与注入 能量成正比； ②是结深的30％ －50％； ③窗口边缘的离子 浓度是中心处的50％；
4.2 注入离子分布
4.2.3 沟道效应(ion channeling) 非晶靶：对注入离子的 阻挡是各向同性； 单晶靶：对注入离子的 阻挡是各向异性； 沟道：在单晶靶的主晶 轴方向呈现一系列平行 的通道，称为沟道。
dR dR
n
dR
e
n
e
−1 E0 dE R = ∫ dR = − ∫ = ∫ [S n (E ) + S e (E )] dE E0 dE / dR 0 0
式中，E0—注入离子的初始能量。
4.2 注入离子分布
2.投影射程XP： 总射程R在离子入射方向 （垂直靶片）的投影长度 ，即离子注入的有效深度。 3.平均投影射程RP： 投影射程XP的平均值，具 有统计分布规律－几率分 布函数。
4.1 核碰撞和电子碰撞
4.1.1 核阻挡本领Sn(E) Sn(E)=(dE/dx)n (dE/dx)n --核阻挡能量 损失率.
第四章离子注入介绍
离子束从<111>轴偏斜7°入射
入射离子进入沟道并不意味着一定发生沟 道效应, 只有当入射离子的入射角小于某 一角度时才会发生, 这个角称为临界角
沟道效应与离子注入方向的关系
沟道效应与单晶靶取向的关系
硅的<110 >方向沟道开口约
1.8 Å, <100 >方向沟道开口
约11.22 Å, <111>方向沟道开口介
3. 射程估算
a. 离子注入能量可分为三个区域:
低能区— 核阻滞能力占主导地位，电子阻滞可被忽略；
中能区— 在这个比较宽的区域，核阻滞和电子阻滞能力同等重要， 必须同时考虑； 主导地位, 核阻滞可被忽略。 超出高实能际区应—用电范子围阻；滞能力占
b.Sn(E) 和 Se(E) 的能量变 化曲线都有最大值。分别在低 能区和高能区；
能量为E的注入离子在单位密度靶内运动单位长度时，损失
给靶原子核的能量S n。E
dE dx
n
能量为E的一个注入离子与靶原子核碰撞，离子能量转移到 原子核上，结果将使离子改变运动方向，而靶原子核可 能离开原位，成为间隙原子核，或只是能量增加。
❖低能量时核阻止本领随能量的增加呈线性增加, 而在某个中等能量达到最大值, 在高 能量时, 因快速运动的离子没有足够的时间与靶原子进行有效的能量交换, 所以核阻止 变小。
❖ 5、离子注入是非平衡过程，因此产生的载流子 浓度不是受热力学限制，而是受掺杂剂在基质晶 格中的活化能力的限制。故加入半导体中的杂质 浓度可以不受固溶度的限制。
❖ 6.离子注入时衬底温度较低，避免高温扩散所引 起的热缺陷。
❖ 7、由于注入是直进性，注入杂质是按照掩模的 图形垂直入射，横向效应比热扩散小，有利于器 件特征尺寸缩小。
第四章 离子注入作业
第四章离子注入作业1、离子注入定义：离化后的原子在强电场的加速作用下，注射进入靶材料的表层，以改变这种材料表层的物理或化学性质。
2、离子注入工艺相比扩散工艺具有以下优点：(1)、可以在较低的温度下，将各种杂质掺入不同的半导体中。
(2)、能精确地控制掺入硅片内部杂质的浓度分布和注入深度。
(3)、可以实现大面积的均匀掺杂，而且重复性好。
(4)、掺入杂质纯度高。
(5)、由于注入杂质的直射性，杂质的横向扩散小。
(6)、可以得到理想的杂质分布。
(7)、工艺条件容易控制。
(8)、没有固溶度极限。
注入杂质含量不受硅片固溶度限制。
4、一般横向扩散结深＝(0.75～0.85)×Xj(Xj为纵向结深)7、阻止机制：材料对入射离子的阻止能量的大小用阻止机制来衡量。
阻止机制表示离子在靶内受到阻止的概率。
1963年，Lindhard, Scharff and Schiott首先确立了注入离子在靶内分布理论，简称LSS理论。
LSS理论认为，注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程电子阻止机制：来自原子之间的电子阻止，属于非弹性碰撞。
核阻止机制：来自原子核之间的碰撞，属于原子核之间的弹性碰撞。
总能量损失为两者的和9、核碰撞特点：入射离子与晶格原子的原子核发生碰撞，散射显著、引起晶格结构的损坏。
电子碰撞特点：入射电子与晶格原子的电子发生碰撞，入射离子的路径几乎不变、能量传输小、晶格结构的损坏可以忽略不计。
11、非局部电子阻止不改变入射离子要点方向；局部电子阻止电荷/动量交换导致入射离子运动方向的改变（ 核间作用）。
电子阻止本领和入射离子的能量的平方根成正比。
核阻止机制在低能量下起主要作用；电子阻止机制在高能量下起主要作用。
12、入射离子的浓度分布理论计算表明，在忽略横向离散效应和一级近似下，注入离子在靶内的纵向浓度分布可取高斯函数形式。
13、什么是横向效应？横向效应指的是注入离子在垂直于入射方向平面内的分布情况。
4第四章 离子注入
1．硅材料的热退火特性
结构简单的缺陷（空位、间隙原子），热处理时具有较 高的迁移率，它们相互靠近时，就可能复合而使缺陷消 失；对于非晶区域，由单晶区向非晶区通过固相外延再 生长而使整个非晶区得到恢复。 退火的温度、时间和方式依据损伤程度、损伤区域的大 小而定；选择退火条件，需考虑基片电参数的恢复程度， 还应考虑基片许可的热处理温度。 低剂量损伤，在低温下退火即可消除；高剂量损失形成 的非晶区域，需要较高的退火温度(550-600℃开始重结 晶），并且随着温度的升高，位错环的密度增大 （<800℃）。
轻离子，电子碰撞为主，位移少，晶格损伤小，损伤体 积计算见P105
重离子，原子碰撞为主，位移多，晶格损伤大,损 伤体积计算见P105 4.22式
4.4
热退火
退火：将注入离子的硅片在一定温度和真空或氮、氩 等高纯气体的保护下，经过适当时间的热处理， 作用：①部分或全部消除硅片中的损伤，少数载流子 的寿命及迁移率也会不同程度的得到恢复；②电激活 掺入的杂质。 根 据 注 入 的 杂 质 数 量 不 同 ， 退 火 温 度 一 般 在 450 － 950℃之间。 讲授内容：硅的热退火特性、硼的退火特性、磷的退 火特性、扩散效应、快速退火等5部分。
1.平均投影射程Rp，标准偏差DR通过查表 根据靶材（Si，SiO2，Ge），杂质离子(B，P，As)能量 （keV）
2.单位面积注入电荷：Qss ＝It/A，I：注入束流，t:时 间，A：扫描面积（园片尺寸） 3.单位面积注入离子数(剂量)： Ns ＝ Qss/q =(I t) /(q A) Ns 4.最大离子浓度：NMAX= 2 DR
2
NB
x j R p DR p
第4章IC工艺之离子注入ppt课件
Beam scan
Mask xj
Mask
Silicon substrate
a) Low dopant concentration (n–, p–) and shallow junction (xj)
Mask xj
Mask
Silicon substrate
b) High dopant concentration (n+, p+) and deep junction (xj)
Scanning disk with wafers
Suppressor aperture
Faraday cup
Ion beam
Current integrator
Scanning direction
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
( dE dx
） nuel
( dE dx
） e
R p ( E )
E 0
dE ( dE tot
）
E 0
dE S (E
)
dx
E
dE
0 Sn(E) Se(E)
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
– 4.3. 注入离子的激活与辐照损伤的消除
P.103~112 1）注入离子未处于替位位置 2）晶格原子被撞离格点
ET(M 4M i iM M tt） E0f()Ea
Ea为原子的位移阈能 大剂量——非晶化 临界剂量（P。111） 与什么因素有关？ 如何则量？
第04章 离子注入
31
§4.2 注入离子在无定形靶中的分布
四． 1.
浅结的形成 目的：为了抑制MOSFET的穿通电 流和减小器件的短沟道效应，要求 减小CMOS的源/漏结的结深。
②
降低注入离子的能量——使用 较多
绪论
源（Source）：在半导体应用中，为了操作方便，一般 采用气体源，如 BF3，BCl3，PH3，AsH3等。如用固体或 液体做源材料，一般先加热，得到它们的蒸汽，再导入
放电区。
气体源：BF3，AsH3，PH3，Ar，GeH4，O2，N2，...
离子源（Ion Source）：灯丝（filament）发出的自由电
2
由如上描述可知，离子注入掺杂方式与扩散掺杂方式不同，杂质的最大 浓度不在固体表面，而在距表面Rp处，即次表面。
21
§4.2 注入离子在无定形靶中的分布
4.
实际的杂质纵向分布
①
真实分布非常复杂，不服从严格 的高斯分布。 轻离子注入到重原子靶中时，如 B→Si靶
由于B质量轻，会有较多的B离子 受到大角度的散射，被反向散射 的B离子数量会增多，导致在峰值 位臵靠近表面一侧有较多的离子 堆积。
1.
将某种元素的原子或携带该元素的分子 经离化变成带电的离子。 在强电场中加速，获得较高的动能后， 射入材料表层（靶）。
2.
3.
改变材料表层的物理或化学性质。
3
绪论
磁分析器 聚焦 扫描系统 靶
加速管
离 子 源
1 I dt Q A q
4
BF3：B++，B+，BF2+， F+, BF+，BF++
第四章 离子注入
作用，注入离子与靶原子之间的势函数用下面形 式表示：
V r q Z 1Z 2 r
2
r f a
其中f(r/a)为电子屏蔽函数，a为屏蔽参数。
13
二、核阻止本领与离子能量的关系
如果屏蔽函数为： f r a
a r
此时注入离子与靶原子核碰撞的能量损失率为常数，用S0n表示。
总能量损失为它们的和。
7
核碰撞：是注入离子与靶内原子核之间的相互碰撞。 因注入离子与靶原子的质量一 般为同一数量级，每次碰 撞之后，注入离子都可能发生大角度的散射，并失去一定的能 量。靶原子核也因碰撞而获得能量，如果获得的能量大于原子 束缚能，就会离开原来所在晶格进入间隙，并留下一个空位， 形成缺陷。
第四章 离子注入
离子注入技术是用一定能量的杂质离子束轰 击要掺杂的材料（称为靶，可以是晶体，也可以 是非晶体），一部分杂质离子会进入靶内，实现 掺杂的目的。
离子注入是集成电路制造中常用的一种掺杂 工艺，尤其是浅结，主要是靠离子注入技术实现 掺杂。
1
离子注入的发展历史：
1952年，美国贝尔实验室就开始研究用离子束轰击技术来改善 半导体的特性。 1954年前后，shockley提出来用离子注入技术能够制造半导体 器件，并且预言采用这种方法可以制造薄基区的高频晶体管。 1955年，英国的W.D.Cussins发现硼离子轰击锗晶片时，可在n 型材料上形成p型层。 1960年，对离子射程的计算和测量、辐射损伤效应以及沟道效 应等方面的重要研究己基本完成，离子注入技术开始在半导体 器件生产中得到广泛应用。 1968年报道了采用离子注入技术制造的、具有突变型杂质分布 的变容二极管以及铝栅自对准MOS晶体管。 1972年以后对离子注入现象有了更深入的了解，目前离子注入 技术已经成为甚大规模集成电路制造中最主要的掺杂工艺。
V r q Z 1Z 2 r
2
r f a
其中f(r/a)为电子屏蔽函数，a为屏蔽参数。
13
二、核阻止本领与离子能量的关系
如果屏蔽函数为： f r a
a r
此时注入离子与靶原子核碰撞的能量损失率为常数，用S0n表示。
总能量损失为它们的和。
7
核碰撞：是注入离子与靶内原子核之间的相互碰撞。 因注入离子与靶原子的质量一 般为同一数量级，每次碰 撞之后，注入离子都可能发生大角度的散射，并失去一定的能 量。靶原子核也因碰撞而获得能量，如果获得的能量大于原子 束缚能，就会离开原来所在晶格进入间隙，并留下一个空位， 形成缺陷。
第四章 离子注入
离子注入技术是用一定能量的杂质离子束轰 击要掺杂的材料（称为靶，可以是晶体，也可以 是非晶体），一部分杂质离子会进入靶内，实现 掺杂的目的。
离子注入是集成电路制造中常用的一种掺杂 工艺，尤其是浅结，主要是靠离子注入技术实现 掺杂。
1
离子注入的发展历史：
1952年，美国贝尔实验室就开始研究用离子束轰击技术来改善 半导体的特性。 1954年前后，shockley提出来用离子注入技术能够制造半导体 器件，并且预言采用这种方法可以制造薄基区的高频晶体管。 1955年，英国的W.D.Cussins发现硼离子轰击锗晶片时，可在n 型材料上形成p型层。 1960年，对离子射程的计算和测量、辐射损伤效应以及沟道效 应等方面的重要研究己基本完成，离子注入技术开始在半导体 器件生产中得到广泛应用。 1968年报道了采用离子注入技术制造的、具有突变型杂质分布 的变容二极管以及铝栅自对准MOS晶体管。 1972年以后对离子注入现象有了更深入的了解，目前离子注入 技术已经成为甚大规模集成电路制造中最主要的掺杂工艺。
第4章 离子注入(掺杂工艺)精简
Se(E) ——电子阻止本领 电子阻止本领
dE S n (E ) ≡ dx n
电子信息与计算机工程系
LSS理论 理论
dE − = N Sn ( E ) + S dx
e
( E )
能量为E的 能量为 的 入射粒子在 密度为N的 密度为 的 靶内走过x 靶内走过 距离后损失 的能量
M—质量， Z—原子序数，下标 质量， 原子序数， 离子， 质量 原子序数 下标1—离子，下标 离子 下标2—靶 靶
摘自J.F. Gibbons, Proc. IEEE, Vol. 56 (3), March, 1968, p. 295 摘自
4.1.2 电子阻止本领
例如：磷离子 例如：磷离子Z1 = 15, M1 = 31 注入 硅Z2 = 14, M2 = 28, 计算可得： 计算可得： Sn ~ 550 keV-µm2 µ
1 dE 1 dE S n (E ) = , S e (E ) = N dx n N dx e
-dE/dx：能量随距离损失的平均速率 ： E：注入离子在其运动路程上任一点x处的能量 ：注入离子在其运动路程上任一点 处的能量 Sn(E)：核阻止本领 ： 能量E的函数 能量 的函数 Se(E)：电子阻止本领 ： N: 靶原子密度 ～5×1022 cm-3 for Si ×
电子信息与计算机工程系
离子注入过程是一个非平衡过程， 离子注入过程是一个非平衡过程，高能离子进入靶 后不断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失能量， 后不断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失能量， 最后停下来。停下来的位置是随机的， 最后停下来。停下来的位置是随机的，大部分不在 晶格上，因而没有电活性。 晶格上，因而没有电活性。
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一.损伤形式
1、孤立的点缺陷或缺陷群， 2、局部非晶层，一般与低剂量的重原子注入有关， 3、非晶层，局部非晶层的相互重叠， 解决：退火、激活
离子束 修复硅晶格结构 并激活杂质－硅键
a) 注入过程中损伤的硅晶格
b) 退火非晶层的形成
四. 损伤区的分布
轻离子，电子碰撞为主，位移少，晶格损伤小，损伤 体积计算见P105
F r r
1 2 2
4M 1 M 2 1 2 TM M 2U 2 E 2 M 1 M 2 2 0
（4.6）
而注入离子与靶原子之间的相应势函数形式为
（4.7） 其中Z1和Z2分别为两个粒子的原子序数，r为距离(只考虑库仑作用时， 对运动缓慢而质量较重的注入离子来说，所得结果与实验不太符合)。 当考虑电子屏蔽作用时，注入离子与靶原子之间 的相互作用的势函数可用下面形式表示：
2 DR
*注入离子分布
1 x R 2 p N(x)=Nmax exp 2 DR p
N(x):距表面x处的浓度, DRp:查表所得的标准偏差 Nmax:峰值浓度(x=Rp处) Rp:平均投影射程
*离子注入结深计算
N (x j ) 1 xR NS p exp DR p 2 2 DR p
目录
4.1 4.2 4.3 4.4 核碰撞和电子碰撞（核、电子阻止本领、射程估计） 注入离子在无定形靶中的分布（纵向分布、横向效 注入损伤（级联碰撞、简单晶格损伤、非晶形成） 退火（硅的退火特性、硼、磷退火特性，退火中的扩散效应、
应、沟道效应和浅结的形成）
快速退火）
4.1
核碰撞和电子碰撞
设一个注入离子在其运动路程上任一点x处的能量为E，则核阻止本 领可定义为: （4.1） dE
重离子，原子碰撞为主，位移多，晶格损伤大,损 伤体积计算见P105 4.22式
4.4
热退火
退火：将注入离子的硅片在一定温度和真空或氮、氩 等高纯气体的保护下，经过适当时间的热处理， 部分或全部消除硅片中的损伤，少数载流子的寿命及 迁移率也会不同程度的得到恢复， 电激活掺入的杂质 分为普通热退火、硼的退火特性、磷的退火特性、扩 散效应、快速退火
注入杂质原子能量损失
携能杂 质离子
硅晶格
Si Si Si X-射线 Si Si Si Si Si Si Si
电子碰撞
Si Si
原子碰撞
Si Si Si Si
被移动的硅原子
Si
Si Si Si
Si
Si
Si
Si
(二)．核碰撞和电子碰撞
不同靶材、不同注入离子的 Ec不同，对于硅靶：B注入 时Ec=15ev,P注入Ec=150ev。 注入能量>>Ec，主要以电子 在LSS理论中，把固体中的电子看为自由电子气。电 阻止形式损失能量，核阻止 子的阻止就类似于黏滞气体的阻力，在注入离子常用 损失的能量可以忽略,则射 12 能量范围内，电子的阻止本领： Se E CV ke E 程： R k1 E1 2 则入射离子主要 其中 V 为注入离子的速度，系数 Ke 与注入离子的原子 E Ec 以核阻止形式损失能量，射 序数、质量、靶材料的原子序数以及质量有着微弱的 程： 关系。无定形靶为一常数。
浅结
多晶硅栅
180 nm
54 nm 砷注入层
20 Å 栅氧化层厚度
§4.3、注入损伤与退火
4.3.1 级联碰撞
因碰撞而离开晶格位置的原子称为移位原子。注入离子通过碰撞把能 量传递给靶原子核及其电子的过程，称为能量淀积。碰撞的两种形式同时 存在，当注入离子能量较高时，以非弹性碰撞为主，能量较低时，主要为 弹性碰撞，在集成电路制造中，离子注入主要为弹性碰撞。 碰撞产生移位原子。使处于晶格位置的原子发生移位所需最小能量成 为移位阈能（Ed）。注入离子与靶内原子碰撞，存在三种形式①传递能量 <Ed，没有移位原子；②传递能量>Ed<2Ed，被碰撞原子本身可以离开晶格， 并留下一个空位。③被碰撞原子移位后能量还很高，不断与其它原子碰撞。 硅的Ed＝14ev-15ev，一般会小于该能量范围，主要是由于各向异性、碰撞 的反冲方向、非弹性碰撞的能量损失、替位碰撞等等。 移位原子也称为反冲原子，与入射离子碰撞产生移位的原子，移位原子 又会和相邻原子碰撞，形成级联碰撞。造成大量靶原子的移位，形成大量 空位和间歇原子，形成损伤。级联碰撞密度不大时，只产生孤立、分开的 点缺陷，密度大时，加重损伤程度，甚至造成非晶层。
S n E dx n
同样，电子阻止本领定义为:
dE S e E dx e
（4.2）
在单位距离上，由于核碰撞和电子碰撞，注入离子所损失的能量则为:
dE S n E S e E dx
（4.3） 如果知道了Sn(E)和Se(E)，就可以直接对上式积分，求出注入离子在靶内 运动的总路程:
2
NB
x j R p DR p
2 ln
Ns 1 2 DR p N B
4.2.2
横向效应
横向系数: B >Sb,约0.5但比热扩散小(0.75-0.85)
4.2.3
沟道效应
入射离子的阻挡作用与晶体取向有关, 可能沿某些方向由原子列包围成直通道 －－沟道，离子进入沟道时，沿沟道前进 阻力小，射程要大得多。
Mask
Mask
xj
Silicon substrate
Mask
Silicon substrate
a)
低掺杂浓度 (n–, p–) 和浅结深 (xj)
b)
高掺杂浓度 (n+, p+) 和深结深 (xj)
离子注入机
离子注入机
Photograph courtesy of Varian Semiconductor, VIISion 80 Source/Terminal side
离子注入的概念：将具有很高能量的杂质离子射入半导
体衬底中的掺杂技术。 掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定，掺杂浓度由 注入杂质离子的数目(剂量)决定。
离子注入特点：
掺杂的均匀性好、污染小 温度低：小于400℃ 可以精确控制杂质分布（数量和深度） 可以注入各种各样的元素、无固溶度的限制 横向扩展比扩散要小得多。 可以对化合物半导体进行掺杂
q 2 Z1 Z 2 V r r2
(一).射程的概念
杂质离子的射程和投影射程
入射离 子束
硅衬底 对单个离 子停止点
Rp
DRp杂
质分布
注入能量对应射程图
1.0
注入到 硅中
Projected Range, Rp (mm)
B 0.1
P
As
Sb
0.01
10
100
注入能量 (keV)
1,000
离子注入到无定形靶中的高斯分布情况
4.2.4
浅结的形成
随集成度的提高，为了抑制MOS晶体管的穿通电流和减小器件的短沟道 效应。要求减小CMOS的源、漏结的结深。而且CMOS器件还要求高的表面掺杂 浓度、低接触电阻以及小的结漏电流。 浅结制造困难较多，①如硼注入形成浅P＋结，问题很多，见书上 （P90)， ②降低注入能量形成浅结，但低能注入时的沟道效应明显，离子 束稳定性，尤其需大束流注入的源、漏区和发射区，问题更严重。由空间电 荷效应造成（带电离子相互排斥造成的。离子的能量低、飞行时间长、导致 离子束发散），可利用宽束流和缩短路径加以解决。 预先非晶化是一种实现P+结的比较理想方法。在注硼前，以重离子高 剂量注入形成表面非晶层，以减小沟道效应；也可注入不激活物质如Si+、 Ce+、Sb＋形成非晶层。注入Si+结深下降20％。注入Ce+ 结深下降40％，具 有更小的缺陷和漏电流。
R
E0 dE dE E0 S ( E ) S ( E ) 0 S E S E n e n e 0
（4.4）
E0为注入离子的起始能量。
在p=0时，两球将发生正面碰撞，此时传输的能量最大，用表示： （4.5） 实际上注入离子与靶原子之间还存在着相互作用力（吸引力或排斥 力）。 若忽略外围电子的屏蔽作用，这两个粒子之间的作用力实际上就是库 仑力： q2Z Z
第四章
离子注入
教师： 潘国峰 E-mail: pgf@
河北工业大学微电子研究所
离子注入技术始于20世纪60年代。离子注入技术大大推 动了半导体器件和集成电路的发展,从而使集成电路的生产进 入超大规模时代。 1952年,美国贝尔实验室就开始研究用离子束轰击技术来改善 半导体的特性。 1954年前后，shockley提出采用离子注入技术能够制造半导体 器件,并且预言采用这种方法可以制造薄基区的高频晶体管。 1955年,英国的W.D.Cmsins发现硼离子轰击锗晶片时，可在N型 材料上形成P型层。到了1960年,对离子射程的计算和测量、辐 射损伤效应以及沟道效应等方面的重要研究已基本完成。离子 注入技术开始在半导体器件生产上得到广泛应用。 1968年，报道了采用离子注入技术制造的、具有突变型杂质分 布的变容二极管以及铝栅自对准MOS晶体管。 1972年后对离子注入现像有了更深入的了解,并且采用离子注 入技术制造具有不少独特优点的砷化镓高速集成电路。 目前，离子注入技术已成为超大规模集成电路制造中不可 缺少的掺杂工艺。
沿 <110> 轴的硅晶格视图
Used with permission from Edgard Torres Designs
离子入射角与沟道
<100>
<110>
<111>